第2章高頻小信號放大器

2.1概述2.2高頻電路的基礎知識2.3晶體管高頻小信號諧振放大器2.4小信號諧振放大器的穩定性2.5場效應管高頻放大器2.6線性寬帶放大集成電路與集中濾波器2.7放大電路的噪聲2.1概述一、高頻小信號放大器的功能在通信系統中，收、發兩地相距甚遠，信號經過信道傳輸，受到很大衰減，到達接收端的高頻信號電平多在μV。必須先將微弱信號進行放大再解調。

高頻：指被放大信號的頻率在幾百千赫至幾百兆赫。

小信號：指放大器輸入信號小。

高頻小信號放大器的功能也可以從輸入信號與輸出信號所含頻譜來說明，即在放大器件工作于線性范圍的條件下，輸出信號的頻譜與輸入信號的頻譜完全相同。二、分類1、按使用的器件分為晶體管、場效應管和集成電路放大器；2、按放大信號的頻譜寬窄分為寬頻帶和窄頻帶放大器；3、按所用負載的性質分為諧振和非諧振放大器。三、主要性能指標(1)電壓增益與功率增益

Au(電壓增益)等于放大器輸出電壓與輸入電壓之比；

AP(功率增益)等于放大器輸出給負載的功率與輸入功率之比。(2)通頻帶通頻帶的定義是放大器的電壓增益下降到最大值的倍時，所對應的頻帶寬度。常用2Δf0.7來表示。(3)矩形系數矩形系數是表征放大器選擇性好壞的一個參量。矩形系數用來表示實際曲線形狀接近理想矩形的程度，通常用Kr0.1來表示。其定義為

式中，2Δf0.7——放大器的通頻帶；2Δf0.1——放大器的電壓增益下降至最大值的0.1倍時所對應的頻帶寬度。(4)噪聲系數噪聲系數是用來表征放大器的噪聲性能好壞的一個參量。對于放大器來說，總是希望放大器本身產生的噪聲越小越好，即要求噪聲系數接近于1。

2.2高頻電路的基礎知識

一、LC諧振回路的作用1、可以進行選頻（即將LC回路調諧在需要選擇的頻率上）；2、進行信號的頻幅轉換和頻相轉換（在斜率鑒頻和相位鑒頻）；3、組成阻抗變換和匹配電路。二、LC串并聯諧振回路的特性（一）串聯諧振（2）諧振頻率：（1）回路阻抗（3）諧振電流：（4）回路的品質因數：（5）阻抗的幅頻特性和相頻特性曲線表達式分別為：其幅頻特性為：相頻特性為：其幅頻特性曲線與相頻特性曲線如下圖所示：串聯諧振回路在諧振點的阻抗最小，相頻特性曲線斜率為正。其在諧振時電流最大，因此適合與信號源以及負載串聯連接，使有用信號通過回路有效地傳送給負載。（二）并聯諧振(a)并聯諧振回路;（b）等效電路（1）諧振頻率：（2）諧振導納：（3）回路總導納：（4）兩端諧振電壓：（5）回路空載Q0值：（6）單位諧振曲線：Q01>Q02理想的幅頻特性三、串并聯阻抗的等效互換如圖是一個串聯電路與并聯電路的等效互換圖。設串聯電路是由X1與r1組成，等效后的并聯電路是由X2與R2組成。

R2

X2

Zp

R1

X1Zs

轉換后電抗元件的性質沒有改變：容性的仍為容性，感性的仍為感性。若Q>>1時：轉換后品質因數沒有改變；四、并聯諧振回路的耦合聯接與接入系數(一)變壓器耦合聯接的變比關系

(二)自耦變壓器耦合聯接的變比關系(三)雙電容分壓耦合聯接的變比關系

首先將RL與C2組成的并聯支路等效為串聯支路

因為，C=C1C2／(C1+C2)，所以再將RLS、C1、C2組成的串聯支路等效為并聯支路(四)接入系數2.3晶體管高頻小信號諧振放大器晶體管在高頻線性運用時，晶體管的內部參數將隨工作頻率而變化。因而必須討論晶體管的高頻等效電路。在本課程所討論的頻率范圍內，用得最多的是y參數等效電路。則對于晶體管來講，其可以看作是如下圖所示的二端口網絡：輸入導納反向傳輸導納正向傳輸導納輸出導納一、y參數等效電路

晶體管的Y參數等效電路：由于晶體管結電容的存在，Y參數一般是一個復數。因此Y參數的輸入導納以及輸出導納一般表示成直角坐標的形式，而正向傳輸導納與反向傳輸導納通常寫成極坐標的形式，即：二、單調諧回路諧振放大器

直流偏置由R1、R2

、R3來實現Cb

、CC

為耦合電容，Ce為高頻旁路電容。選頻與阻抗匹配(一)放大器的等效電路及其簡化若信號源用Is和Ys等效，變壓器次級的負載為下一級相同型號的放大管（即具有相同的輸入導納Yie）。則其等效電路如下：將輸入、輸出參數等效到LC回路：空載諧振電導g0=1/ω0LQ0p1=N22／N23，p2=N45／N23(二)放大器的技術指標1.電壓增益放大器諧振時，通常，在電路計算時，電壓增益用其模表示，即|Au0|可表示為根據定義，放大器的諧振特性2.諧振曲線放大器的諧振曲線是表示放大器的相對電壓增益與輸入信號頻率的關系。對于諧振放大器來說，通常討論的f與f0相差不會很大，即可認為f在f0附近變化，則式中，Δf=f-f0，稱為一般失諧。令ξ=QL2Δf/f0，稱為廣義失諧。3.放大器的通頻帶根據通頻帶的定義，Au/Au0=1/2時所對應的2Δf為放大器的通頻帶。2Δf0.7=f0/QL4.放大器的矩形系數根據矩形系數的定義其中，2Δf0.1是Au/Au0=0.1時所對應的頻帶寬度，即則矩形系數為單調諧回路放大器的矩形系數遠大于1。也就是它的諧振曲線與矩形相差較遠，選擇性差。三、多級單調諧回路諧振放大器(一)多級單調諧諧振放大器的電壓增益設放大器有m級，各級電壓增益分別為Au1，Au2，…Aum,則總電壓增益Am是各級電壓增益的乘積。Am=Au1·Au2·Au3…Aum

若多級放大器是由完全相同的單級放大器組成時，各級電壓增益相等，則m級放大器的總電壓增益Am=(Au1)m

(二)多級單調諧諧振放大器的諧振曲線m級相同的放大器級聯時，它的諧振曲線等于各單級諧振曲線的乘積?？杀硎緸?三)多級單調諧諧振放大器的通頻帶m級相同的放大器級聯時，根據定義總通頻帶應滿足下式

(四)多級單調諧諧振放大器的矩形系數m級單調諧諧振放大器的矩形系數為

說明：級數越多，矩形系數越小。2.4小信號諧振放大器的穩定性一、諧振放大器存在不穩定的原因晶體管存在著反向傳輸導納yre，放大器的輸出電壓可通過晶體管的yre反向作用到輸入端，引起輸入電流的變化，這種反饋作用將可能引起放大器產生自激等不良后果。二、放大器的穩定系數及穩定增益(一)放大器的穩定系數當信號源提供輸入電壓后，通過晶體管得到穩定系數(二)單級調諧放大器的穩定增益穩定增益，是指晶體管不加任何穩定措施，而滿足穩定系數S(例如S≥5)要求時，放大器工作于諧振頻率的最大電壓增益。三、提高諧振放大器穩定性的措施由于yre的反饋作用，晶體管是一個雙向器件。使晶體管yre的反饋作用消除的過程稱為單向化。單向化的目的就是提高放大器的穩定性。單向化的方法有中和法和失配法。(一)中和法所謂中和，是在晶體管放大器的輸出與輸入之間引入一個附加的外部反饋電路，以抵消晶體管內部yre的反饋作用。注意：嚴格的中和很難達到。因晶體管的yre是隨頻率變化的。(二)失配法所謂失配是指信號源內阻不與晶體管的輸入阻抗匹配，晶體管輸出端的負載不與本級晶體管的輸出阻抗匹配。失配法的實質是降低放大器的電壓增益，以確保滿足穩定的要求。一、結型場效應管高頻放大器共源-共柵高頻放大器與共射-共基級聯放大器相似，可以把共源-共柵級聯的兩管等效為一個共源的場效應管。其反向傳輸導納很小，內部反饋很弱，放大器的穩定性高。場效應管共源-共柵高頻放大器由于具有電壓增益較高、工作穩定、高頻特性好、動態范圍大、噪聲小、線性好等特點，在通信系統的高頻放大中應用較為廣泛。2.5場效應管高頻放大器二、雙柵場效應管高頻放大器雙柵場效應管也稱為雙柵MOS管。它是一個管子中有兩個控制柵極。從結構上來看可以認為是兩個單柵場效應管的串聯組成。從特性上來看，由于增加了第二柵級g2，它具有一定的屏蔽作用，使得漏極與第一柵極之間的反饋電容變得很小。用這樣的管子制做的放大器的工作穩定性高。2.6線性寬帶放大集成電路與集中濾波器一、線性寬頻帶集成放大電路(一)共射-共基集成寬頻帶放大器國產ER4803寬頻帶放大器。該電路是由T1、T3(或T4)與T2、T6(或T5)組成共射-共基放大器，輸出電壓的特性由外電路控制。若外電路使ID2=0，而ID1≠0時，D2和T4、T5截止。這時信號經T1、T3與T2、T-組成的共射-共基差分對放大后輸出。若外電路使ID1=0，而ID2≠0時，D1和T3、T6截止。這時信號經T1、T4與T2、T5組成的共射-共基差分對放大后輸出。輸出電壓極性與上相反。Ce是MOS電容，用來補償高頻，以展寬頻帶。這種集成電路常用于350MHz以上寬帶示波器中實現高、中、視頻放大。二、集中濾波器集中選擇濾波器可以由多節電感、電容串并聯回路構成的LC濾波器，也可以由石英晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器構成。由于這些濾波器可以根據系統要求進行精確的設計，而且在與放大器聯接時可以設置良好的阻抗匹配電路，因此，選頻特性較好。目前應用最普遍的集中選擇性濾波器是聲表面波濾波器。

噪聲：是在放大電路或電子設備的輸出端與有用信號同時存在的一種隨機變化的電流或電壓，沒有有用信號時，它也存在。

2.7放大電路的噪聲電阻熱噪聲功率譜密度為S(f)=4kTR一、放大電路內部噪聲的來源和特點放大電路的內部噪聲主要來源于包括輸入變換電路在內的電阻熱噪聲和放大器件的噪聲。噪聲電壓的方均值

噪聲電流的方均值Δfn為圖所示帶寬或電路的等效噪聲帶寬，單位為Hz。

(二)晶體三極管的噪聲晶體三極管的噪聲主要有四個來源。1.熱噪聲2.散粒噪聲3.分配噪聲4.閃爍噪聲

(三)場效應管的噪聲在場效應管中，因為其工作原理不是少數載流子的運動，所以散粒噪聲的影響很小，主要是溝道電阻產生的熱噪聲。溝道熱噪聲通過溝道和柵極間電容的耦合作用在柵極上感應的噪聲，還存在閃爍噪聲。二、噪聲電路的計算(一)噪聲等效電壓源和等效電流源在Δfn頻帶內，溫度為T的一個電阻的熱噪聲可用如圖等效電路表示?？傻刃殡妷涸椿虻刃щ娏髟础?二)串并聯電阻的噪聲計算等效噪聲電路如圖所示，在T和Δfn相同的條件下，可得兩個并聯電阻所輸出的總噪聲電壓方均值相當于兩個電阻的并聯阻值所產生的熱噪聲三、放大電路噪聲的表示方法及計算(一)等效噪聲頻帶寬度設二端口網絡的電壓傳輸系數為A(f)，輸入端的噪聲功率譜密度為Si(f)。把輸入端的噪聲功率譜密度乘以網絡的功率傳輸系數A2(f)，即可得輸出端的噪聲功率譜密度So(f)=A2(f)Si(f)(二)噪聲系數放大電路的噪聲系數是放大電路輸入端信號噪聲功率比Psi/Pni與輸出端信號噪聲功率比Pso／Pno的比值。

用分貝數表示放大電路的輸出噪聲功率Pno是由兩部分組成的，一部分是PnoⅠ=APPni，另一部分是放大電路本身產生的噪聲在輸出端呈現的噪聲功率